The results of studies of power losses and specific energy costs in asynchronous frequency-controlled electric drive of rocking machines, obtained on the basis of a complete mathematical model, electric machine complex, are discussedОбсуждены результаты исследований потерь мощности и удельных затрат энергии в асинхронном частотно-регулируемом электроприводе станков-качалок, полученные на основе полной математической модели, электромашинного комплекс

Ippolitov, V. V.

Zusev, A. M.

Зюзев, А. М.

Ипполитов, В. В.

Institutional repository of Russian State Vocational Pedagogical University

499  УДК 371.64/.69 Зюзев А. М., Ипполитов В. В. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ШТАНГОВЫХ ГЛУБИННО-НАСОСНЫХ УСТАНОВОК Зюзев Анатолий Михайлович a.m.zuzev@urfu.ru ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», Россия, Екатеринбург Ипполитов Владимир Владимирович vladimir.ippolitov@rsvpu.ru ФГАОУ ВО «Российский государственный профессионально-педагогический университет», Россия, Екатеринбург A STUDY OF THE ENERGY PERFORMANCE OF VARIABLE FREQUENCY DRIVES SUCKER ROD DEEP PUMP INSTALLATIONS Zusev Anatoly Mikhailovich Russian State Ural Federal University named after the first President of Russia B.N.Yeltsin,  Russia, Yekaterinburg Ippolitov Vladimir Vladimirovich Russian State Vocational Pedagogical University, Russia, Yekaterinburg Аннотация. Обсуждены результаты исследований потерь мощности и удельных затрат энергии в асинхронном частотно-регулируемом электро-приводе станков-качалок, полученные на основе полной математической модели, электромашинного комплекса. Abstract. The results of studies of power losses and specific energy costs in asynchronous frequency-controlled electric drive of rocking machines, obtained on 500  the basis of a complete mathematical model, electric machine complex, are dis-cussed. Ключевые слова: Энергетические показатели, частотно-регулируемый электропривод, асинхронный двигатель, потери мощности в двигателе, оптимизация энергопотребления. Keywords: Energy performance, variable frequency drive, induction mo-tor, power losses in the motor, energy optimization. Среди основных агрегатов, применяемых в нефтедобыче, значитель-ную долю составляют штанговые глубинно-насосные установки (ШГНУ). Скважина, оборудованная ШГНУ, представляет собой сложную динамиче-скую систему, состоящую из электропривода, станка-качалки, штангового насоса и нефтеносного пласта. При решении задачи выбора мощности элек-тропривода и оптимизации энергопотребления необходимо использование наиболее полной математической модели системы, объединяющей в своем со-ставе модели двигателя, станка-качалки и насоса. Очевидно, характеристики пласта в этой системе могут быть заданы таким его параметром, как уровень жидкости в скважине. В результате вариации параметров установки и скважины возникает бесконечное разнообразие условий формирования нагрузки, исследовать ко-торые с целью выбора и оптимизации необходимой мощности двигателя и преобразовательного устройства можно только методами математического моделирования, разработав соответствующее программное обеспечение. Для решения этих задач создана программа «ЭСКАДа», содержащая матмодели механических звеньев ШГНУ, скважины и асинхронного электропривода [1]. Ниже приводятся результаты исследования энергетических показате-лей асинхронных частотно-регулируемых электроприводов ШГНУ, получен-ные с использованием указанной программы. Все расчеты выполнены для электропривода мощностью 30 кВт и скважины с глубиной спуска насоса 1142 м (диаметр плунжера 57 мм), оборудованной станком-качалкой двуплече-501  вого типа ПШГН8-3, настроенной на длительность цикла качания 10 секунд при номинальной скорости электродвигателя. В качестве основных показате-лей при оценке эффективности работы электропривода выбраны средние по-тери в двигателе и удельные затраты энергии на единицу объема поднимае-мой жидкости. При определении мощности потерь в двигателе учитываются только электрические потери в статоре и роторе. Определив переменные состояния двигателя из решения полной системы уравнений электропривода машинно-го агрегата, далее находят мгновенные значения потерь мощности в статоре ΔPS и роторе ΔPr, соответствующие текущему моменту времени. На основе этих значений путем их интегрирования получают энергию потерь на цикле качания Тц, то есть на интервале времени одного полного оборота кривошипа или на двойном ходе штока: ∆𝑊∑ = ∫ (∆𝑃𝑠 + ∆𝑃𝑟)𝑑𝑡,Тц𝑡=0    (1) а после этого находят и среднюю мощность потерь на цикле: ∆𝑃ср =  ∆𝑊∑Тц .      (2) На основе представленной методики проведено исследование зависимо-сти средних потерь в двигателе ∆𝑃ср от параметров кинематики механизма при различных заданиях на преобразователь частоты с целью установления ос-новных закономерностей. При этом рассматривался простейший способ управления с постоянством отношения амплитуды напряжения статора к его частоте. Было выявлено, что динамические процессы в механической части ШГНУ оказывают существенное влияние на характер момента двигателя и ве-личину средней мощности потерь, которые имеют экстремальный характер в зависимости от радиуса противовеса с явно выраженным минимумом (рису-нок 1), что, очевидно, в использовании при оптимальных настройках меха-низма его наладке и контроле состояния балансировки в процессе работы. Наилучшее использование двигателя будет при минимуме средних потерь в 502  нем, что возможно при выполнении оптимального условия уравновешивания установки.  Рис. 1 Данным оптимальным условиям соответствует минимальная амплитуда колебаний момента двигателя. Диаграммы момента двигателя при номиналь-ной частоте (а) и задании на частоту 0,5 о.е. (б) представлены на рисунке 2. Со снижением задания на частоту мощность потерь в двигателе соответ-ственно уменьшается, что можно объяснить снижением влияния динамиче-ских процессов в механической части на работу привода [2].  Рис. 2  Проведено также исследование зависимости средних потерь мощности в двигателе от динамического уровня жидкости в скважине hд, который может изменяться в определенных пределах при эксплуатации скважины. Получен-ные зависимости средней мощности потерь в двигателе от задания на частоту 503  (рисунок 3) при уменьшении динамического уровня смещаются вниз практи-чески параллельно. Это объясняется тем, что при изменении динамического уровня пропорционально изменяется и совершаемая станком-качалкой рабо-та по подъему жидкости, следовательно, также изменяются потребляемая мощность и потери в двигателе.  Рис. 3 Следует обратить внимание на то, что если скважина будет работать с существенно изменяющимся динамическим уровнем без перенастройки стан-ка-качалки (как это и случается на практике), то условия балансировки меха-низма будут нарушаться, и значения средних потерь в двигателе могут суще-ственно отличаться от оптимальных. Поэтому целесообразным является ре-жим работы агрегата с поддержанием определенного динамического уровня жидкости. Полная модель электропривода ШГНУ позволяет также выполнить и расчет потребляемой активной мощности системы: 𝑃 = 𝑘1𝑇∫ 𝑢 ∙ 𝑖 𝑑𝑡,𝑇0       (3) где Р - потребляемая активная мощность; k = 2 - коэффициент приведе-ния относительного значения мощности на три фазы; T = 2π - период напря-жения статора; u, i - мгновенные значения фазного напряжения и тока стато-ра. Потребляемую из сети активную энергию W можно найти по общему выражению: 504  𝑊 = ∫ 𝑃 𝑑𝑡.𝑇ц𝑡=0       (4) Применительно к электроприводу ШГНУ энергопотребление целесо-образно оценивать по удельным затратам энергии на единицу объема подни-маемой на двойном ходе штока жидкости Q, который рассчитывается, исходя из конструктивных параметров насоса и расчетного значения хода плунжера, получаемого из совместного решения уравнений движения колонны штанг и НКТ в полной модели комплекса: 𝑊уд =  𝑊𝑄.          (5) Как видно из графиков зависимостей (рисунок 4) удельных затрат энергии      а      б Рис. 4 от положения противовеса (а) и от задания на частоту ПЧ (б), удельные затраты электроэнергии, так же как и средние потери, имеют экстремальный характер в зависимости от условий уравновешивания станка-качалки и зада-ния на преобразователь частоты. Выводы 1. На уровень потерь мощности и удельные затраты энергии на подъем жидкости из скважины в асинхронном электроприводе штанговой глубинно-505  насосной установки оказывает существенное влияние качество уравновеши-вания станка-качалки. 2. Существует оптимальное положение противовеса станка-качалки, при котором привод имеет минимальные потери в двигателе и потребляет минимальное количество электроэнергии. 3. Для оптимизации энергопотребления и минимизации потерь мощно-сти в электроприводе штанговой глубинно-насосной установки целесообраз-но стабилизировать динамический уровень жидкости в скважине, что можно осуществить путем изменения производительности агрегата за счет регулиро-вания скорости двигателя. Список литературы 1. Зюзев А. М. Программный моделирующий комплекс «Электропри-вод станка-качалки с асинхронным двигателем» («ЭСКАДа») / А. М. Зюзев, В. П. Метельков, А. С. Попов; Свил РФ о регистр прогр. для ЭВМ №2003612481. Москва: Роспатент, 12.11.2003. 2. Зюзев А. М. Развитие теории и обобщение опыта разработки авто-матизированных электроприводов агрегатов нефтегазового комплекса : дис-сертация доктора технических наук : 05.09.03.- Екатеринбург, 2004.- 347 с.: ил. РГБ ОД, 71 05-5/456 

A study of the energy performance of variable frequency drives sucker rod deep pump installations

https://elar.rsvpu.ru/bitstream/123456789/25500/1/nito_2018_069.pdf

A study of the energy performance of variable frequency drives sucker rod deep pump installations

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Institutional repository of Russian State Vocational Pedagogical University